一種立體聲信號相位差電平差測試儀的設計方法

本文主要提出了一種立體聲信號相位差電平差測試儀的設計方法。用單片機為控制核心，主要由相位差檢測模塊、電平差檢測模塊、頻譜分析及處理模塊、電源模塊、鍵盤和顯示模塊組成。

將LR立體聲信號經頻譜分析、整形及占空比檢測電路進行處理，采用過零鑒相法，通過測矩形波占空比，實現(xiàn)相位差的測試。將LR信號用AD736專用芯片實現(xiàn)AC/DC轉換，通過單片機編程，得到LR電平差。

在立體聲播音或放音時，如果左右聲道信號存在相位差和電平差，對播音或放音質量將會產生一定影響，出現(xiàn)聲像漂移、音量減小、噪音增大和失真等故障現(xiàn)象。左右聲道相位差電平差越大，音質也越差，嚴重時還會造成無音故障。

為此文中設計了立體聲信號相位差電平差測試儀，只有準確測出相位差電平差，再用補償電路進行修正，才能保證播音或放音質量，更好地滿足人們欣賞到音質優(yōu)美的廣播或音樂的需要。

1設計方案

如圖1所示，是立體聲信號相位差電平差測試儀原理方框圖。提出了一種立體聲信號相位差電平差測試儀的設計方法。用C8051F020單片機為控制核心，主要由相位差檢測模塊、電平差檢測模塊、頻譜分析及處理模塊、電源模塊、鍵盤和顯示模塊組成。將LR立體聲信號經頻譜分析、整形及占空比檢測電路進行處理，采用過零鑒相法，通過測矩形波占空比，實現(xiàn)相位差的測試。將LR信號分別用AD736專用芯片實現(xiàn)AC/DC轉換，通過單片機編程，得到LR電平差。整個系統(tǒng)用單片機控制，鍵盤操作，用LCD顯示相位差電平差及相關信息。


圖1 立體聲信號相位差電平差測試儀原理方框圖

2系統(tǒng)硬件設計

2.1相位差檢測模塊

2.1.1方框圖和電路原理圖

如圖2所示，是相位差檢測模塊原理方框圖。如圖3所示，是相位差檢測模塊電路原理。


圖2 相位差檢測模塊原理圖

相位差檢測模塊由電壓比較器、與門、放大器、占空比檢測電路和儀器放大器組成。如圖3所示，IC2 LM311和IC21LM311及其周圍器件，構成2個電壓比較器，L（A點信號）R（B點信號）左右聲道信號分別經IC2、IC21電壓比較器整形變?yōu)榉讲ㄐ盘枺–點信號和D點信號），然后再相與，得到矩形波（E點信號），74LS08是與門。IC4 AD827及其周圍器件構成同相放大器，對與門輸出的信號進行放大。IC5 CD4069及其周圍器件構成占空比檢測電路，用過零鑒相法，測量兩個矩形波信號的占空比。輸入端加入一個占空比為D的矩形波，輸出端F點輸出一個直流信號，數值在0~100 mV之間變化，這個直流信號既代表占空比D，是反映相位差的一個量。IC6 OPA2111及其周圍器件組成儀器放大器，用于放大F點輸出信號，因這個信號數值在0~100 mV，是小信號，所以采用自動較零型儀器放大器，以保證測試儀有很高的精度。當開關S1、S2同時打在“1”時，完成自動較零功能；當開關S1、S2同時打在“3”時，是正常的放大功能。放大后的信號，再加到單片機的A/D端，C8051F 020的內部設有12位A/D轉換器。


圖3 相位差檢測模塊電路原理圖

2.1.2理論分析及實現(xiàn)

立體聲信號是20Hz~20 kHz的音頻信號，用uSL、uSR分別表示由音響設備輸出的左右聲道信號，其數學表達式為：

uSL（t）=USLsin（ωSLt+ψIL）（1）

uSR（t）=USRsin（ωSRt+ψIR）（2）

在式（1）和式（2）中，ψ是初相，ωt+ψ是相位。相位的表達式為：

φ（t）=ωt+ψ（3）

由式（3）可知，相位是時間t的線性函數。左右聲道的φSL（t）和φSR（t）是2個簡諧振蕩的相位，則其相位差為：

φS（t）=φSL（t）-φSR（t）=（ωSL-ωSR）t+（ψSL-ψSR）=ψSt+（ψSL-ψSR）（4）

由式（4）可知，相位差也是時間t的線性函數。φ對ω偏導數是群延時，群延時tp為

由音響設備輸出的左右聲道信號“uSL、uSR，經過頻譜分析及處理電路后，得到uL、uR信號，uL、uR是同頻率的正弦信號，即ωL=ωR，則有：

φ（t）=φL（t）-φR（t）=（ωL-ωR）t+（ψL-ψR）=ψL-ψR（6）

由式（6）可知，uL、uR信號的相位差是一個常數，并由初相之差決定。如將L信號作為基準信號，L、R信號即uL、uR信號的表達式為：

uL（t）=ULsinωt（7）

uR（t）=URsin（ωt+ψ）（8）

這時，L、R信號相位差為：

φ=0-ψ=-ψ（9）

式（9）中的負號表示L滯后R一個ψ角度。所以只需要測量計算出相位差φ即可，或用△ψ表示LR信號的相位差。

如圖4所示，是圖4中A點、B點、C點、D點、E點的波形圖。


圖4 ABCDE各點的波形圖

圖4中，uA、uB是L信號和R信號，是正弦波；uC、uD是L、R信號經電壓比較器整形后的方波，uE是2個方波相與后得到的矩形波，D是占空比。用過零鑒相法，測量兩個矩形波信號的占空比。過零鑒相法是：兩個正弦波，頻率相同，讓其經過鑒相網絡后，變?yōu)榉讲āＦ淝把貙谡也ǖ恼蜻^零點，后沿對應于正弦波的負向過零點。再將兩個方波送入到觸發(fā)器的復位端和置位端，被測量方波的前沿將其復位，基準方波的前沿將觸發(fā)器復位。觸發(fā)器輸出的脈沖寬度即是兩個信號過零點的時間差，即圖4中的占空比D.

再將uE放大后，送入占空比檢測電路，在輸出端F得到一個直流電壓，數值是0~100 mV，這個直流信號即代表占空比D，是反映相位差的一個量，D從[（0~100%）×T]變化，其中T為A點（或B點）信號的周期。如F點輸出信號為10 mV時，D=10%×T，則L（A點信號）和R（B點信號）的相位差△φ=180°-10%x360°。當D=0時，R、L信號的相位差為180°，即反相，這時立體聲信號嚴重失真。

2.2電平差檢測模塊

圖5所示為電平差檢測電路原理圖。因左右聲道電平差檢測電路圖完全一樣，所以圖5是左聲道電平差檢測電路原理圖。電平差檢測電路由衰減器、交流直流變換電路和放大器三級組成，其中IC7 NE5532及其周圍器件組成衰減器，將輸入L信號電壓的有效值衰減到200 mV.IC 8AD736及其周圍器件組成交流變直流電路。IC9 NE5532及其周圍器件組成放大器，將信號放大后送入單片機的A/D端。為了提高精度和減小誤差，前級衰減器和后級放大器設計成自動校零型電路。


圖5 電平差檢測電路原理圖

AD736是專用的單片精密真有效值A/D轉換器，內部經過激光修正，具有頻率特性好、速度快、靈敏度高、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬、功耗小等特點，其測量誤差小于±0.3%.C3是輸入耦合電容，一般取5~25μF.C4是輸出濾波電容，一般取5~15μF，其數值會影響到輸出電壓有效值的精度，在低頻端更為重要。C5一般取30~40μF，其數值大小會影響到被測電壓的波峰因數Kp，Kp是被測電壓的峰值與真有效值之比。

3系統(tǒng)軟件設計

用C8051F020單片機，采用C語言編程，由主程序和子程序兩部分組成。主程序完成系統(tǒng)初始化、參數設置和各子程序的調用。子程序主要包括：工作模式選擇模塊、參數設置及計算模塊、相位差計算模塊、電平差計算模塊、A/D模塊、鍵盤掃描模塊和顯示模塊等。如圖6所示，是主程序流程圖。


圖6 主程序流程圖

4試驗數據及分析

如表1所示，是相位差電平差測試數據。



由表1的測試數據可知，相位差的絕對誤差小于0.7°，電平差的絕對誤差小于3 mV（當△Ui=10 mV），測試精度較高。

5結論

隨著電子技術的迅速發(fā)展，人們的生活質量不斷提高，同時對廣播和音樂放音也提出了更高的要求。只有準確地測量出左右聲道的相位差電平差，再用補償電路進行修正，才能保證播音和放音質量，滿足人們欣賞到音質優(yōu)美的廣播和音樂的需求。

試驗數據表明該儀器實現(xiàn)了LR信號相位差電平差的測試，且具有較高的測試精度，并能存儲和顯示相關信息。本設計具有創(chuàng)新性和實用性，為高質量立體聲廣播和研發(fā)制造高質量音響設備奠定了基礎。